Nano-SiO2 a nano-TiC zlepšili vlastnosti oceľovláknobetónu najmä po 28 dňoch

Výskum publikovaný v Scientific Reports skúmal, ako prídavok nano-SiO2 a nano-TiC mení vlastnosti oceľovláknobetónu (SFRC). Autori testovali, ako tieto prímesi vplývajú na pevnosť v tlaku, štiepnu pevnosť v ťahu, pevnosť v ohybe aj odolnosť voči cyklom mrazu a rozmrazovania. Výsledky ukázali, že pri samostatnom dávkovaní mali nano-prísady malý vplyv na 7-dňové hodnoty, no po 28 dňoch mechanické vlastnosti betónu zlepšili. Pri samotnom nano-SiO2 vyšiel najlepší obsah 2 %, pri samotnom nano-TiC 1 %. Pri kombinovanom použití sa ako najvhodnejšia ukázala zmes 2 % nano-SiO2 a 0,5 % nano-TiC.

Snímka zobrazuje: Mechanical properties of steel fiber concrete modified with nano-TiC and nano-SiO2.

Zdroj: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42218195/

Autori do oceľovláknobetónu pridávali nano-SiO2 v koncentráciách 1 %, 2 % a 3 % a nano-TiC v koncentráciách 0,5 %, 1,0 % a 1,5 %. Následne sledovali pevnosť materiálu po 7 a 28 dňoch. Okrem samostatného účinku oboch prísad skúmali aj ich spoločné pôsobenie. Zaujímala ich nielen mechanická odolnosť, ale aj to, či upravený betón lepšie znáša poškodenie spôsobené zmrazovaním a rozmrazovaním.

Podľa výsledkov samotné pridanie nano-TiC alebo nano-SiO2 výraznejšie nepomohlo skorým, 7-dňovým pevnostiam. V 28. dni už však bol efekt zreteľný pri pevnosti v tlaku, štiepnej pevnosti v ťahu aj pri pevnosti v ohybe. Samostatné nano-SiO2 zlepšovalo mechanické vlastnosti účinnejšie než samostatné nano-TiC. Pri kombinovanom dávkovaní mohli byť nárasty aj poklesy rôzne podľa sledovaného parametra a zloženia zmesi, no autori označili kombináciu 2 % NS a 0,5 % NT za optimálnu.

Konkrétne rozpätia zmien pri kombinovanom dávkovaní boli podľa autorov od -8,92 % do 17,48 % pri pevnosti v tlaku, od -3,85 % do 13,46 % pri štiepnej pevnosti v ťahu a od -6,67 % do 12,00 % pri pevnosti v ohybe. To je dôležité aj z praktického hľadiska: samotná prítomnosť nano-prísady ešte nezaručuje lepší výsledok, veľa závisí od presného pomeru a od toho, akú vlastnosť chce výrobca alebo projektant zlepšiť.

Štúdia zároveň uvádza, že pridanie nano-TiC a nano-SiO2 zvýšilo odolnosť oceľovláknobetónu proti narušeniu pri cykloch mrazu a rozmrazovania. Pri stavebných materiáloch ide o podstatný údaj, pretože opakované prenikanie vody a jej zamŕzanie patrí medzi časté príčiny degradácie betónu v chladnom prostredí.

Autori materiál analyzovali viacerými metódami. Použili skenovaciu elektrónovú mikroskopiu (SEM), prvkové zloženie skúmali pomocou EDS, fázové zloženie pomocou XRD a rozloženie mikropórov sledovali metódou ortuťovej porozimetrie. Interakciu medzi nano-TiC a nano-SiO2 hodnotili aj štatisticky pomocou analýzy rozptylu v programe SPSS. Práve výsledky porozimetrie ukázali, že vnútorná pórová štruktúra bola pri skupine NS2NT0.5 optimalizovaná.

Autori účinok vysvetľujú tak, že pucolánový efekt nano-SiO2 spolu s vypĺňacím a nukleačným pôsobením karbidu v nano-TiC podporuje vyššiu spotrebu Ca(OH)2. Tým sa zlepšuje mikroštruktúra oceľovláknobetónu a materiál sa stáva hustejším. Štúdia zároveň uvádza, že nano-SiO2 má významný vplyv na mechanické vlastnosti počas celého procesu správania SFRC.

Pre prax z toho vyplýva jednoduchý záver: pri navrhovaní odolnejšieho oceľovláknobetónu môže byť vhodnejšie cielene nastaviť kombináciu nano-prísad než len zvyšovať ich množstvo. Výskum však nehovorí, že viac prísady automaticky znamená lepší materiál. Naopak, ukazuje, že niektoré kombinácie môžu konkrétne pevnosti aj znížiť.

Čo je oceľovláknobetón a prečo sa upravuje

Oceľovláknobetón, označovaný ako SFRC, je betón vystužený krátkymi oceľovými vláknami. Tie pomáhajú lepšie rozkladať napätie v materiáli a zvyšovať jeho odolnosť proti vzniku a šíreniu trhlín. Všeobecne platí, že takéto materiály sa využívajú tam, kde je dôležitá pevnosť, húževnatosť a dlhšia životnosť.

Pridávanie ďalších prímesí do betónu je bežný spôsob, ako ovplyvniť jeho správanie. V tomto prípade išlo o nanočastice, ktoré môžu meniť vnútornú štruktúru cementového kompozitu vo veľmi malej mierke. Práve táto mikroskopická úroveň často rozhoduje o tom, ako sa materiál správa pri zaťažení alebo v náročných podmienkach prostredia.

Ako môžu nano-SiO2 a nano-TiC meniť betón

Podľa autorov má nano-SiO2 pucolánový efekt, zatiaľ čo nano-TiC prispieva vypĺňacím a nukleačným účinkom. V praxi to znamená, že tieto prísady môžu podporiť vznik kompaktnejšej vnútornej štruktúry a znížiť podiel nežiaducich pórov alebo slabších miest v materiáli.

Vo všeobecnom kontexte materiálového výskumu platí, že hustejšia a rovnomernejšia mikroštruktúra býva spojená s lepšími mechanickými vlastnosťami aj vyššou odolnosťou voči prenikaniu vody. Presný výsledok však závisí od dávkovania, typu základného betónu a od toho, ako sa jednotlivé zložky navzájom ovplyvňujú. Aj táto štúdia ukazuje, že účinok nie je pri každej kombinácii rovnaký.

Prečo záleží na 7-dňovej a 28-dňovej pevnosti

V betóne nie je rozhodujúci len konečný stav, ale aj to, ako rýchlo sa vlastnosti vyvíjajú po zhotovení. Preto autori sledovali pevnosti po 7 a po 28 dňoch. Ich výsledky naznačujú, že skúmané nano-prísady sa výraznejšie prejavili až neskôr, nie v skorom štádiu.

To je dôležité pri reálnom použití. Niektoré stavby alebo prefabrikované dielce potrebujú vysokú skorú pevnosť, inde je podstatnejší dlhodobejší nárast odolnosti. Z pohľadu tejto práce teda prínos nano-SiO2 a nano-TiC spočíva skôr v zlepšení neskorších vlastností než v rýchlom posilnení materiálu bezprostredne po vytvrdnutí.

Odolnosť proti mrazu ako praktický test životnosti

Cykly mrazu a rozmrazovania patria medzi hlavné skúšky odolnosti betónu v prostredí, kde sa striedajú nízke teploty a vlhkosť. Ak voda prenikne do pórov a následne zamrzne, zväčší objem a môže postupne poškodzovať vnútornú štruktúru materiálu.

Autori uvádzajú, že pridanie nano-TiC a nano-SiO2 zlepšilo odolnosť oceľovláknobetónu voči takémuto namáhaniu. Všeobecne je to cenná vlastnosť pre konštrukcie vystavené počasiu, dopravnej záťaži alebo opakovaným teplotným výkyvom. Samotná štúdia však zostáva zameraná na skúšaný materiál a konkrétne zmesi, preto jej výsledky nemožno bez ďalšieho overenia automaticky preniesť na všetky typy betónu.

Čo ešte zostáva otvorené

Hoci práca identifikovala výhodné dávkovanie a ukázala zmeny v mikroštruktúre, neznamená to automaticky univerzálny recept pre každú stavebnú aplikáciu. V praxi zvyknú do výsledku vstupovať aj ďalšie faktory, napríklad zloženie cementu, voda, kamenivo, spôsob miešania či podmienky zrenia. Tieto širšie súvislosti predstavujú všeobecné pozadie materiálového inžinierstva, nie konkrétne tvrdenie tejto práce.

Ďalším krokom býva overenie správania pri dlhšom starnutí, pri iných typoch zaťaženia alebo v rozsiahlejších podmienkach mimo laboratória. Samotný zdroj ukazuje, že najlepšie výsledky prinieslo presne nastavené zloženie. To je užitočné zistenie, ale zároveň pripomienka, že pri nano-prísadách rozhodujú detaily dávkovania a nie iba ich prítomnosť.

Zdroj: PubMed Research

Pôvodný článok: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42218195/